Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАПРАВКИ ЖИДКИМ КИСЛОРОДОМ БАКА КОСМИЧЕСКОГО РАЗГОННОГО БЛОКА

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано при заправке жидким кислородом топливных баков ракетных двигательных установок, преимущественно баков окислителя космических разгонных блоков (РБ), входящих в состав ракетно-космических систем (РКС).

Известен способ заправки жидким кислородом топливного бака ракеты-носителя (РН) путем насосной подачи в бак жидкого кислорода из заправочной теплоизолированной емкости и дренажирования паров кислорода, включающий заполнение бака до заданного уровня и термостатирование жидкого кислорода (см. Н. В. Твердовский "Космодром", М., "Машиностроение", 1976, с. 69 - 77, рис. 20). Поскольку сжиженный кислород является криогенной жидкостью, имеющей очень низкую температуру кипения, при подаче от заправочной емкости к баку РН и непосредственно в баке он воспринимает значительные внешние теплопритоки, что обусловлено очень большой разностью температур окружающей среды и жидкого кислорода и большой длиной заправочных трубопроводов (магистралей). Подогрев же жидкого кислорода, вследствие его малой теплоты парообразования, приводит к частичному испарению жидкого кислорода с образованием в заправочной магистрали двухфазного газожидкостного потока, что вызывает повышенные потери при заправке бака, а также может вызвать срыв работы насоса жидкого кислорода. Заполнение бака жидким кислородом производится до заданного уровня, соответствующего требуемому количеству заправляемого в бак криогенного окислителя для нормальной работы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), причем для предотвращения потерь жидкого кислорода в баке от внешних теплопритоков и получения его требуемой кондиции на момент старта РН, производится термостатирование жидкого кислорода в баке, обеспечивающее поддержание его заданной среднемассовой температуры. Превышение этой температуры может привести к нарушению нормальной работы насоса окислителя ракетной двигательной установки и выходу из сторон ЖРД. Недостатком данного способа заправки являются большие потери жидкого кислорода и большая продолжительность цикла заправочных работ. Данный недостаток особенно проявляется при заправке жидким кислородом бака космического разгонного блока (РБ), который располагается в верхней части ракетно-космической системы, установленной на стартовой площадке, и имеет наибольшую длину заправочной магистрали.

Наиболее близким к предложенному является способ заправки жидким кислородом топливного бака космического разгонного блока РКС путем насосной подачи в бак переохлажденного жидкого кислорода и отвода в дренаж паров кислорода, включающий заполнение бака жидким кислородом до заданного уровня и обеспечение заданной среднемассовой температуры кислорода за счет его термостатирования, причем жидкий переохлажденный кислород подают в верхнюю часть бака через коллектор душирования, а отвод жидкого кислорода при термостатировании производят из нижней части бака (см. Ракетно-космический комплекс. "Космодром", под ред. Проф. А.П. Вольского, изд. МО СССР, М., 1977, с. 146 - 158, рис. 5.2). Согласно известному способу, жидкий кислород перед поступлением в заправочную магистраль переохлаждают в теплообменнике с жидким азотом, что позволяет компенсировать внешние теплопритоки в магистрали и получить более низкую температуру кислорода в баке. Однако при подаче жидкого кислорода через коллектор душирования, расположенный в верхней части бака, имеют место повышенные теплопритоки к кислороду, особенно в начале процесса заправки, что обусловлено конденсацией испаренного кислорода на струях переохлажденной жидкости, поступающей через коллектор душирования, и перемешиванием жидкости при заполнении бака, а также большой величиной смачиваемой поверхности бака. Это приводит к повышенному прогреву жидкого кислорода при заправке и вызывает необходимость дополнительного охлаждения кислорода в баке путем его термостатирования до заданного значения среднемассовой температуры, обеспечивающего, за счет поддержания термодинамической стабильности жидкого кислорода в баке, надежную работу насоса жидкого кислорода двигательной установки космического разгонного блока и, соответственно, надежную работу ее ЖРД. Для космического разгонного блока температура жидкого кислорода в баке окислителя на момент старта должна быть не выше верхнего предела статического температурного диапазона, отработанного при летной эксплуатации разгонных блоков данного типа, что является необходимым условием для обеспечения надежного запуска двигателя РБ, который осуществляется в космических условиях при уровне перегрузки на 2-4 порядка ниже, чем в земных условиях. Термостатирование заправленного жидкого кислорода производится путем циркуляции его в баке окислителя посредством подачи в бак охлажденного кислорода и одновременного отвода более теплого кислорода в наземный теплообменник с жидким азотом, причем термостатирование жидкого кислорода связано со значительными дополнительными затратами и увеличением времени заправочных работ.

Кроме того, в некоторых случаях, в частности при необходимости использования единственного трубопровода заправки разгонного блока жидким кислородом и при ограниченных запасах жидкого кислорода на стартовой позиции, отсутствует возможность термостатирования жидкого кислорода в баке окислителя разгонного блока, что не позволяет обеспечить заправку этого бака известным способом и произвести успешный запуск ракетно-космической системы.

Задачей, решаемой изобретением, является снижение затрат при заправке жидким кислородом топливного бака космического разгонного блока, сокращение времени и упрощение процесса заправки, а также расширение (функциональных возможностей данного способа.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что при осуществлении заправки жидким кислородом бака космического разгонного блока путем подачи в бак переохлажденного жидкого кислорода и отвода в дренаж паров кислорода, включающей заполнение бака жидким кислородом до заданного уровня и обеспечение равномерного поля заданной среднемассовой температуры жидкого кислорода по высоте бака, в соответствии с изобретением, подачу жидкого переохлажденного кислорода производят на нижнее днище бака, а равномерное поле среднемассовой температуры жидкого кислорода по высоте бака обеспечивают барботированием через него гелия, при этом температуру переохлажденного кислорода на входе в бак поддерживают ниже значения заданной среднемассовой температуры жидкого кислорода в баке на величину прогрева заправленного в бак кислорода; кроме того, перед заполнением бака жидким кислородом производят предварительное захолаживание конструкции бака до средней температуры, составляющей не более -160^oC, путем подачи жидкого кислорода в верхнюю часть бака. Подача жидкого переохлажденного кислорода на нижнее днище бака позволяет существенно уменьшить прогрев жидкого кислорода при заполнении бака за счет минимизации внешнего теплопритока к нему, в частности вследствие уменьшения смачиваемой поверхности бака при заправке. При этом барботирование гелия через жидкий кислород обеспечивает выравнивание температуры по высоте слоя жидкого кислорода и позволяет получить в конце заправки бака равномерное поле среднемассовой температуры жидкого кислорода. В то же время, проведение предварительного захолаживания бака жидким кислородом, подаваемым в верхнюю часть бака, до средней температуры не выше -160^oC обеспечивает, за счет отвода в дренаж основной части тепла конструкции бака с отходящими парами кислорода перед заполнением бака жидким кислородом, дополнительное снижение прогрева жидкого кислорода при заправке. Уменьшение величины прогрева заправляемого в бак переохлажденного кислорода, при условии поддержания его температуры на входе в бак ниже значения заданной среднемассовой температуры жидкого кислорода в баке на величину его прогрева при заправке, обеспечивает получение в конце заправки температуры кислорода в баке, находящейся в летном статистическом диапазоне температур, гарантирующем падежный запуск маршевого двигателя РБ в условиях космического полета. Это позволяет в предложенном способе заправки не проводить термостатирование жидкого кислорода в баке окислителя РБ, которое необходимо при заправке бака РБ известным способом, и за счет этого существенно снизить затраты при заправке бака жидким кислородом, сократить время и упростить процесс заправки, а также расширить функциональные возможности использования предлагаемого способа заправки.

На прилагаемом чертеже схематично представлено устройство для реализации предложенного способа заправки бака. Устройство содержит криогенную заправочную емкость 1 с жидким кислородом, нижняя часть которой через патрубок 2, насос жидкого кислорода 3, азотный теплообменник 4 и наземный трубопровод (магистраль) заправки 5 подключена к бортовому трубопроводу заправки 6, выходной конец которого размещен внутри бака окислителя 7 разгонного блока и располагается вблизи нижнего днища бака. У нижнего днища бака 7 размещен также газовый коллектор 8, подключенный трубопроводом 9 к баллону 10 со сжатым гелием. В верхней части бака 7 расположен коллектор душирования 11, который через линию 12 соединен с трубопроводом заправки 6. Бак 7 также снабжен уровнемером 13 и дренажным патрубком 14, внутри бака установлены штатные внутрибаковые устройства 15 и размещены баллоны 16 со сжатым газом. Теплообменник 4 представляет собой криогенную емкость с жидким азотом, внутри которой проходит трубопровод 5 подачи жидкого кислорода в бак 7, причем газовая полость емкости сообщена со всасывающим патрубком газового эжектора 17, вход которого подключен к компрессору 18. На патрубке 2 заправочной емкости 1 установлен запорный клапан 19, на трубопроводе 5 установлен запорный клапан 20, бортовой трубопровод 6 и трубопровод 12 содержат соответственно клапаны 21 и 22, дренажный патрубок 14 бака 7 снабжен клапаном 23, на трубопроводе 9 подачи гелия установлен клапан 24. Между трубопроводами 5 и 6 и на трубопроводе 9 установлены бортовые разъемные соединения 25. Устройство содержит также трубопровод 26 с клапаном 27 для слива жидкого кислорода из бака 7 в емкость 1.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом процесса заправки производится наддув емкости 1, включается насос жидкого кислорода 3 и осуществляется охлаждение заправочных магистралей (трубопроводов) в соответствии со штатной циклограммой (технологическим алгоритмом) работы системы заправки стартового комплекса. Заправку жидким кислородом бака окислителя 7 разгонного блока производят при открытых клапанах 19, 20, 21 и 23 устройства. Жидкий кислород из заправочной емкости 1 поступает в наземный трубопровод заправки 5 с азотным теплообменником 4 и далее через бортовой трубопровод заправки 6 подается в нижнюю часть бака 7. В теплообменнике 4 жидкий кислород переохлаждается жидким переохлажденным азотом до температуры ниже (не выше) значения заданной среднемассовой температуры жидкого кислорода в баке окислителя 7 разгонного блока на величину прогрева заправляемого жидкого кислорода, которая определяется экспериментально в процессе предварительных заправочно-технологических испытаний ракетного комплекса. Переохлаждение жидкого азота в теплообменнике 4 обеспечивается за счет поддержания в газовой полости теплообменника необходимой величины разрежения, создаваемого газовым эжектором 17 при работе компрессора 18. При подаче жидкого переохлажденного кислорода на нижнее днище бака 7, в процессе его заполнения, образуется верхний кипящий слой жидкости, в котором, в основном, происходит накопление тепла, снимаемого с конструкции бака при его заправке. Другая часть тепла конструкции бака в виде испаренного кислорода удаляется через дренажный патрубок 14. Пары кислорода проходят через весь объем бака 7, интенсивно снимая тепло с несмоченных элементов конструкции бака, за счет чего обеспечивается наиболее оптимальное использование холодосодержания отводимых паров кислорода. При этом, поскольку площадь контакта вводимого на нижнее днище бака 7 жидкого кислорода с поверхностью бака минимальна, имеет место значительное (более чем в 2 раза по сравнению с прототипом) снижение внешнего теплопритока к кислороду и, следовательно, минимальный прогрев его в процессе заполнения бака до заданного уровня заправки. В то же время, при общем пониженном (на 1,5-2^oC - по сравнению с прототипом) уровне температуры жидкого кислорода в баке 7, верхние слои жидкости будут иметь существенно более высокую (на ~ 15^oC) температуру, что обусловлено прогревом части жидкого кислорода при охлаждении бака. Заполнение бака 7 жидким кислородом ведут до достижения заданного уровня заправки, контролируемого с помощью уровнемера 13, после чего закрывают клапаны 21, 20 и 19 на заправочной магистрали. Перед стартом РКС открывают клапан 24 и производят подачу в бак 7 гелия из баллона 10 через газовый коллектор 8, обеспечивая барботаж гелия через жидкий кислород и выравнивание температуры жидкого кислорода по высоте бака, при этом среднемассовая температура кислорода устанавливается ниже, чем при заправке по способу-прототипу, и соответствует заданной температуре жидкого кислорода в баке окислителя, находящейся в летном статистическом диапазоне температур, обеспечивающем надежный запуск маршевого двигателя разгонного блока. В то же время, с целью дополнительного снижения прогрева жидкого кислорода при заправке, в начале процесса заправки целесообразно провести предварительное захолаживание конструкции бака 7 до средней температуры не выше -160^oC, близкой к равновесной температуре жидкого кислорода, подачей жидкого переохлажденного кислорода в верхнюю часть бака. Для этого при закрытом клапане 21 открывают клапан 22 и подают кислород в бак через коллектор душирования 11. При этом жидкий кислород, диспергируемый в верхнюю часть бака 7 через коллектор душирования, равномерно орошает и смачивает всю внутреннюю поверхность бака, интенсивно отбирая тепло конструкции бака, которое отводится из бака через дренажный патрубок 14 с отходящими парами кислорода. Вследствие этого, при предварительном захолаживании бака 7 до температуры, близкой к равновесной температуре жидкого кислорода и составляющей не выше -160^oC, основная часть тепла конструкции бака отводится из бака с парами кислорода в начале процесса заправочных работ, что обеспечивает, при последующей подаче жидкого переохлажденного кислорода на нижнее днище бака, снижение прогрева жидкого кислорода и уменьшение толщины образующегося верхнего прогретого слоя кислорода в баке по сравнению с заправкой бака без предварительного захолаживания конструкции бака, и, соответственно, дополнительное снижение среднемассовой температуры жидкого кислорода в баке в конце заправки.

Таким образом, предложенный способ заправки позволяет отказаться от проведения циркуляционного термостатирования жидкого кислорода после заполнения бака окислителя РБ, что существенно снижает затраты при заправке, сокращает время проведения заправочных работ, упрощает процесс заправки и его аппаратурное оформление. Исключение операции термостатирования жидкого кислорода после заполнения бака расширяет также функциональные возможности предлагаемого способа, в частности позволяет использовать его для заправки бака окислителя разгонного блока ДМ-SL в составе РН "Зенит 2S" в условиях подготовки морского старта.

Пример реализации способа.

Предложенный способ реализован при заправке жидким кислородом бака окислителя разгонного бока ДМ-SL на РН "Зенит 2S". Объем бака окислителя РБ составлял ~ 10 м³. Температура переохлажденного жидкого кислорода, подаваемого на днище бака, составляла -196^oC. В конце процесса заправки производилось барботирование жидкого кислорода гелием, подаваемым в бак через заправочный трубопровод в течение 6-7 минут с расходом 0,7 г/с, обеспечивающее получение равномерного поля температуры жидкости по высоте бака. С учетом прогрева заправленного кислорода за счет внешнего теплопритока к баку, составляющего 2,5^oC, среднемассовая температура жидкого кислорода в баке после барботирования гелием составила -193,5^oC, что соответствует ее номинальному значению в отработанном летном диапазоне температур надежного запуска двигателя РБ данного типа.